A Luz Natural Desejada

Junto à luz natural admitida através de uma abertura, ganhos de calor solar também são admitidos. Esses ganhos, muitas vezes, são indesejáveis quando se quer manter a luz solar direta fora do ambiente interno (caso dos ambientes de

trabalho), evitando ofuscamento, degradação dos materiais, assim como impedindo o sobre-aquecimento do ambiente interno nos períodos quentes e/ou aumento indesejado da carga térmica de resfriamento.

Entretanto, quais as razões para utilização da luz natural nos ambientes internos se, para isso necessita haver uma série de preocupações?

Robbins (1986) cita como razões para utilização da luz natural, dentre outras: - qualidade da luz;

- importância da luz como elemento de projeto;

- visão exterior (aberturas voltadas para o exterior são um canal de comunicação visual com o exterior);

- conservação de energia resultante do uso da luz natural como fonte primária ou secundária de iluminação;

- benefícios psicológicos e fisiológicos não obtidos com iluminação elétrica ou edifícios sem aberturas;

- desejo de ter luz natural no interior dos ambientes.

Além dessas razões, pode-se acrescentar o reduzido custo para utilização desta energia.

A própria luz natural é desejada até certa quantidade, pois tanto valores baixos como altos são inadequados; os primeiros por dificultar a visão por níveis de iluminância insuficientes e os segundos por ocasionar ofuscamento no campo de visão devido ao excesso de brilho. Nesse sentido, a avaliação da iluminação natural no ambiente interno de uma edificação necessita considerar as zonas luminosas definidas segundo a penetração da luz através das aberturas.

No que se refere à intenção de uso da luz natural nas edificações a partir do projeto de arquitetura, ainda é comum (se não até dominante) ver profissionais de arquitetura abordando a necessidade de utilização da luz natural nas edificações a partir do ponto de vista de insolação, isto é, deseja-se boa insolação e quanto mais luz melhor, o que não é adequado, como citado.

Parte desse tipo de interpretação conceitual é decorrente de valores culturais estrangeiros por causa da influência cultural e econômica dos principais países da Europa e dos EUA , e também valores adquiridos durante a formação de graduação em arquitetura. Durante essa formação, boa parte do estudo de obras de grandes arquitetos referem-se àquelas localizadas dominantemente na Europa e Estados Unidos, majoritariamente nas suas partes temperadas e frias, onde a necessidade

de aumento dos ganhos de calor solar são as dominantes do ponto de vista do conforto térmico; logo, quanto mais insolação, aparentemente melhor é a situação.

Uma expressão muito utilizada “por um lugar ao Sol”, válida para locais de clima frio e temperado é entendida como adequada e transferida para o Brasil tropical, ao invés da alteração para “ por um lugar à sombra”.

Sobre a luz natural, Corbella e Magalhães (2000) afirmam que Na Europa, há

necessidade de janelas grandes devido à pouca luz da abóbada celeste. As grandes janelas também servem como calefatores, pois comportam-se como estufas. Nos trópicos, o problema é outro: consiste em como deixar passar mais luz, sem que isto implique o ingresso de calor (p.80). Cabe ressaltar que na Europa também existem

diferenças climáticas significativas, com maior disponibilidade de luz natural junto aos países do Sul, diferentemente dos países da Europa Central e do Norte, de clima dominantemente temperado e frio, com menor disponibilidade de luz natural.

Abordar as questões sobre uso da luz natural nas edificações em países de clima frio e temperado, assim como nos tropicais e sub-tropicais, passa inevitavelmente por conhecer o comportamento da luz transmitida através da janela, reconhecendo a sua variação quantitativa e de distribuição espacial em função dos obstáculos existentes nas janelas, como os elementos de controle solar que bloqueiam parte da luz e/ou a redirecionam por reflexão para o ambiente interno, caracterizando-se como uma fonte de luz assimétrica.

Diversas situações são encontradas nas edificações sobre utilização da luz natural, desde as situações de ausência de controle da luz solar direta nas aberturas, muitas vezes sob a justificativa como intenção de projeto em aproveitar a luz natural. Esta situação descrita representa uma utilização inadequada, pois a luz natural utilizada de forma direta é prejudicial ao conforto térmico e luminoso, além da degradação dos materiais, entre outros aspectos negativos.

Com a luz solar direta incidente no ambiente interno, o usuário das edificações procura bloquear esse excesso de luz por meio de cortinas, persianas internas, impedindo o contato visual externo e o acesso à própria luz natural disponível. Por outro lado, muitas vezes o que acontece é o oposto, com situações de excesso de controle da luz solar direta (super-dimensionamento de elementos de controle solar), impedindo também a possibilidade de melhor uso da luz natural.

2.5 Avaliação da Iluminação Natural Interior e da Luz Natural

Admitida com Caracterização do Comportamento Luminoso das

Aberturas

A avaliação da iluminação natural recebida no interior dos ambientes pode ser feita por meio de diferentes métodos, como os classificados a seguir:

- Métodos simplificados para avaliação preditiva da iluminação natural interior recebida através de aberturas simples, sem elementos de controle solar e/ou outros tipos de obstruções de geometria complexa.

- Métodos para avaliação da iluminação natural interior recebida através de aberturas por meio de medições de campo.

Já a avaliação da luz natural admitida através de aberturas de geometria complexa e/ou com elementos de controle solar pode ser feita da seguinte forma:

- Métodos caracterizadores do comportamento luminoso de aberturas. Nestes métodos, a abertura como fonte de luz é tratada de maneira complexa devido às suas características como um plano radiante assimétrico de luz em função das obstruções existentes, como os elementos de controle solar que alteram a trajetória da luz para o ambiente interno.

2.5.1 Métodos caracterizadores do comportamento luminoso de aberturas com elementos de controle solar de geometria complexa

Uma abertura com obstruções como do tipo de elementos de controle solar de geometria complexa comporta-se como fonte de luz coforme um plano radiante assimétrico, emitindo luz numa certa quantidade e numa distribuição espacial variada.

Para determinar essa variação quantitativa e a respectiva distribuição espacial da luz admitida para o interior, necessita-se conhecer o comportamento radiante ou luminoso da abertura, em que a admissão da luz para o ambiente interno sofre um conjunto de intervenções (obstruções, reflexões).

Assim como são utilizados diversos tipos de goniofotômetros para caracterizar o comportamento luminoso (quantidade e distribuição espacial) de lâmpadas, pode- se também adotar variações desses tipos de equipamentos para conhecer o

comportamento luminoso de sistemas de aberturas complexos, sendo a abertura considerada como a fonte de luz de análise, análogo à situação das lâmpadas.

Para a caracterização luminosa das aberturas com diferentes tipos de ECS que influenciam na admissão da luz natural para o ambiente interno, duas propriedades ópticas são fundamentais de ser conhecidas  a transmitância direcional hemisférica (Tdh) e a transmitância bidirecional hemisférica (Tbh).

No próximo item são apresentados os métodos que possibilitam conhecer o comportamento quantitativo da luz admitida (transmitida através da abertura) e sua distribuição espacial para o ambiente interno.

2.5.1.1 Métodos Experimentais de Laboratório

Por meio de instrumental próprio, a luz transmitida que atravessa as aberturas é determinada, possibilitando inclusive a certificação de janelas com diferentes tipos de vidros. Para aberturas com elementos de controle solar, é necessária a reprodução adequada do tipo a ser ensaiado, ou ainda um modelo em escala reduzida.

Podem-se citar dentre os métodos existentes os seguintes:

Radiômetro Escaneador Direcional pelo Uso da Esfera Integradora (Sanning

Radiometer ou Direcional Radiometric Scanner), desenvolvido no Lawrence Berkeley Laboratory em 1981 para medir a transmissividade e refletividade direcional da luz em janelas e seus componentes (KESSEL E SELKOWITZ, 1984), adiante apresentado na figura 13.

Figura 13: Radiômetro escaneador direcional pelo uso da esfera integradora (Fonte: KESSEL e SELKOWITZ, 1984)

Kessel e Selkowitz (1984), pesquisadores do Lawrence Berkeley Laboratory, apresentam esse equipamento, uma esfera integradora para medição do fluxo radiante ou térmico total transmitido que afeta a iluminação natural e o desempenho térmico do sistema de aberturas. Demonstram então os resultados de uso da esfera integradora para determinar a transmitância hemisférica direcional de materiais envidraçados, sistemas de aberturas (incluindo complexos sistemas de sombreamento). Com uma simples medição da iluminância interior, a esfera integradora proporciona informações equivalentes ao somatório de medições de muitas luminâncias devido ao hemisfério no qual se está testando a transmitância. Historicamente, a esfera foi primeiramente usada na medição do fluxo luminoso de saída de lâmpadas analisadas em seu interior. Independentemente da distribuição espacial do fluxo vindo da lâmpada, a iluminância na esfera é proporcional ao fluxo total e pode se comparar seu valor com o de uma fonte de referência. Os autores evidenciam ainda que uma esfera integradora de tamanho similar foi utilizada em 1951 para medição de propriedades óticas de blocos de vidro.

Papamichael, Klems e Selkowitz (1988) afirmam que, para sistemas de aberturas simples, com uma ou mais camadas de vidro claro, pintado ou pigmentado, em que os principais efeitos óticos são a absorção, a transmissão unidirecional e a reflexão especular, procedimentos normatizados de cálculo, baseados em medições fotométricas de propriedades óticas de materiais, são adequados para determinação da transmissão solar; para estes sistemas, existem programas computacionais para cálculo dos níveis internos de iluminação. Os autores afirmam ainda que, para situações com venezianas, persianas, cortinas nas quais a transmitância difusa e/ou a reflexão espacial são heterogêneas, e são usadas para controle do ganho de calor solar e níveis de iluminação, os procedimentos normatizados à época não eram adequados.

Os autores apresentam então o uso do radiômetro escaneador bidirecional para determinação das propriedades ótico-solares de transmitância bidirecional de sistemas de aberturas (figura 14), visando avaliar o desempenho térmico e luminoso, tanto em termos quantitativos com em relação à distribuição espacial da luz admitida. Esse equipamento consiste basicamente numa superfície vertical circular móvel (em dois eixos), onde é posicionada uma amostra de elemento de controle solar a ser analisada, dirigida a uma fonte de luz; no lado oposto à fonte, existe um detector que pode ser posicionado em diversos pontos de “varredura” da luz natural

que atravessou a amostra em estudo, identificando assim a luz natural admitida após a passagem pela influência de determinado elemento de controle solar.

Figura 14 - Radiômetro escaneador bidirecional

(Fonte: PAPAMICHAEL, KLEMS e SELKOWITZ, 1988)

Segundo LBNL (2004), o método do radiômetro escaneador bidirecional (Bidirecional Radiometric Scanner) é preciso para a medição do ganho de calor solar de sistemas de aberturas com proteções solares diversas como lâminas, persianas, cortinas e uma variedade de tipos de vidros, tintas, pigmentos e espessura de vidros, utilizando, entre outros equipamentos, uma esfera integradora.

Na Figura 15 é apresentada a utilização do radiômetro escaneador do LBNL, (LBNL , 2004), com a colocação de uma amostra para ensaio.

Figura 15 - Posicionamento de uma amostra no radiômetro escaneador bidirecional. (Fonte: LBNL, 2004)

IEA (1999) apresenta medições de características luminosas de diversos materiais para iluminação natural, como medições direcionais e bidirecionais da transmitância da luz; estas últimas, representativas da distribuição espacial da luz. O trabalho citado apresenta essas medições para sistemas de iluminação natural de filme prismático para vidro, vidro direcionador-solar (lumitop), e plexiglas. Para essas medições bidirecionais apresenta o goniofotômetro bidirecional do EPFL (Ecole

Polytechnique Fédérale de Lausanne), com base em técnicas de imagem digital

(Figura 16). Para a medição de propriedades térmicas e radiantes dos materiais analisados, o autor declara que existem diferentes métodos normalizados de medições calorimétricas e cálculos.

O goniofotômetro bidirecional é composto de um suporte mecânico móvel controlado por computador, apresentando dois eixos principais de rotação, precisamente controlados. A fonte de luz está localizada 6 m acima, consistindo numa lâmpada de descarga com alta eficácia luminosa e temperatura de cor próxima da luz natural (5600 K).

Figura 16 - Goniofotômetro bidirecional do EPFL (Fonte: IEA, 1999)

Ainda são apresentados pelo autor outros equipamentos visando à medição bidirecional da transmitância/refletância da luz, como um aparato para medição de grandes amostras de material do ISE (Fraunhofer Institute for Solar Energy

Systems), e o goniofotômetro espiral da TUB (Berlin University of Technology)

Figura 17 - Aparato para medição bidirecional da luz – ISE (Fonte: IEA, 1999)

Este equipamento consiste em duas fontes de luz fixas, uma amostra exemplo ajustável e uma célula solar móvel como um detector. Todas as posições angulares são controladas por computador, usando uma estação de trabalho para armazenamento dos dados das medições.

Figura 18 - Goniofotômetro espiral –TUB (Fonte: IEA, 1999)

O goniofotômetro consiste na superfície de uma hemisfera de raio 2 m, escaneada numa forma espiral pela rotação da amostra e da fonte de luz ao redor de um eixo vertical e, simultaneamente, o movimento do detector num eixo horizontal; a fonte de luz é uma lâmpada incandescente, e seu ajuste angular é manual.

Maamari et al (2006) apresentam trabalho sobre validação experimental de métodos de simulação da propriedade de transmissão bidirecional da luz para o nível de desempenho da iluminação natural, citando como métodos de avaliação dessas propriedades o vídeo-goniofotômetro bidirecional e o goniofotômetro numérico.

O vídeo-goniofotômetro bidirecional citado faz as análises por meio de técnicas de imagem digital desenvolvidas no LESO-PB-EPFL; já sobre os goniofotômetros numéricos, os autores apresentam o do LESO-PB-EPFL, que reproduz virtualmente as condições experimentais de um goniofotômetro com o Programa TracePro (que trabalha com o modelo do raio-traçado); além do FHG-IBP, que representa um ambiente automatizado, possibilitando testes virtuais, baseados na utilização do Programa Opticad (usando o modelo do raio-traçado).

De Boer (2006), num trabalho sobre modelagem interna da iluminação com base em dados fotométricos bidirecionais para sistemas complexos de aberturas, apresenta resultados das análises para três tipos de materiais (vidro acrílico difuso; vidro redirecionador de luz; persiana direcionadora de luz); afirma que, para avaliação da transmitância bidirecional da luz, pode ser utilizada a goniofotometria. No método adotado pelo autor, os resultados da transmitância bidirecional da luz são baseados no princípio do cálculo da distribuição da intensidade luminosa a partir de dados fotométricos bidirecionais.

Ainda sobre a avaliação da transmissão do fluxo luminoso e sua distribuição espacial através de aberturas por meio de uso de instrumentos de laboratório, Andersen e De Boer (2006) apresentam importante trabalho com uma ampla revisão sobre as principais ferramentas para avaliação da transmissão bidirecional ou distribuição da reflexão de sistemas de aberturas complexos, citando no total nove tipos de goniofotômetros.

2.5.1.2 Programas de Simulação Computacional

Os programas computacionais simplificados possibilitam somente a avaliação da iluminação natural existente no ambiente interno em situações de geometria simples da abertura e do local, não possibilitando a avaliação de situações com ambientes de geometria variada, nem tampouco de situações de aberturas com elementos de geometria complexa, como no caso de elementos de controle solar.

Já o uso de programas de simulação computacional do fenômeno luminoso, a partir de algoritmos de cálculo complexos representativos dos fenômenos físicos envolvidos, possibilitam a avaliação de situações complexas quanto à geometria do local e de elementos de controle solar na abertura.

Esses programas em geral são utilizados por pesquisadores, não possuem boa interface com o usuário, são de demorada aprendizagem e de grande detalhamento para as análises pretendidas.

Possuem como vantagem, além de informação quantitativa acerca da luz natural admitida no ambiente de estudo modelado, a definição de imagens de visualização da luz, criando ambientes visuais virtuais representativos daquela situação analisada.

Este autor acredita ser estimulante para boa parte dos arquitetos essa visualização, pois os mesmos estão acostumados aos processos gráficos e visuais de desenvolvimento de projeto de edificações; no entanto, não se apresentam como de fácil manuseio para o profissional comum de projeto de edificações.

Dentre os principais programas de simulação computacional da luz natural, podem-se citar ADELINE, SUPERLITE, LUMEN-MICRO, RADIANCE, ECOTECT, LIGHTSCAPE, TROPLUX e APOLUX, com dezenas de trabalhos publicados na literatura, à exceção dos dois últimos programas, mais recentes.

Destes, o RADIANCE, LIGHSCAPE e APOLUX são do tipo de programas que permitem a caracterização luminosa de diferentes sistemas de aberturas com elementos de controle solar ou obstáculos junto à abertura; os demais programas citados realizam apenas análises de iluminação natural recebida no ambiente interno em situações de aberturas do tipo simples.

Sobre a utilização do APOLUX, Lemes e Pereira (2005) apresentam em trabalho a comparação de resultados de simulação dos programas APOLUX e LIGHTSCAPE com medições em modelos em escala reduzida, citando que ambos

se mostraram ferramentas eficazes na análise do comportamento da luz natural em ambientes internos, tendo o APOLUX mostrado um melhor desempenho na reprodução da distribuição da luz natural nos pontos próximos às aberturas laterais.

Souza et al (2005) também apresentam resultados adequados com uso do programa APOLUX de simulação da luz natural quando comparado ao programa LIGHSCAPE e medições em maquete, afirmando que o APOLUX mostrou um

desempenho considerado bom na predição de iluminâncias internas. Também

afirmam que, diferentemente do programa LIGHSCAPE 3.2, que tende a apresentar

uma distribuição de luz simétrica em relação ao centro da abertura, o APOLUX conseguiu reproduzir a lateralidade da entrada de luz no ambiente interno, nos pontos próximos a abertura. Os autores informam que as diferenças encontradas

entre os valores medidos e simulados pelo APOLUX, referem-se a limitações inerentes ao próprio algorítimo do programa, como no caso da consideração da reflexão da luz em igual intensidade em todas as direções, considerada na Teoria da Radiosidade do qual o programa foi estruturado, o que dificilmente ocorre em ambientes reais.

Sobre a Teoria da Radiosidade, Claro (1998) afirma que consiste numa de duas abordagens de tratamento da iluminação em computação gráfica (a outra é o método do raio-traçado, aplicado com particular êxito na análise dos fenômenos especulares das trocas luminosas), decorrentes de modelos desenvolvidos na área da física acerca dos fenômenos da radiação térmica e luminosa. Neste método, as trocas de energia luminosa ocorrem entre superfícies consideradas difusores perfeitos (distribuem a luz em intensidade igual em todas as direções) e tratam o modelo como um todo, a partir da definição de suas propriedades geométricas e físicas. Estes dois métodos identificados tratam o que é denominado, segundo Claro, de iluminação global, envolvendo os diferentes tipos de comportamento da luz diante dos diferentes meios do ambiente. No entanto, ainda segundo o autor, existe a necessidade de que ambos os métodos convirjam no tratamento da iluminação global (por meio de modelos denominados híbridos - radiosidade com segundo passo raio-traçado, ou raio-traçado com aproximações locais de radiosidade). Isto de deve ao fato de que os dois métodos tratam parcialmente de aspectos diferenciados dos fenômenos luminosos, tendo dificuldade em tratar aspectos que não os especulares ou difusos, como no caso da difusão direcional característica comum nas superfícies reais.

O programa APOLUX citado trabalha com o algorítimo da radiosidade conhecido e já validado. O algorítimo calcula as trocas luminosas entre materiais opacos difusos, permeadas por materiais transmissores especulares, indicando resultados adequados do comportamento da luz natural no ambiente interno, conforme citado.

Sobre o uso de programas de simulação computacional, Lam e Li (1999) apresentam uma análise sobre iluminação natural e calor solar para diferentes tipos de aberturas em edifícios de escritórios climatizados (em clima subtropical), mostrando uma correlação entre gastos em eletricidade em climatização e áreas de aberturas para luz natural e insolação. Nesse trabalho, é apresentado o

desempenho energético total de diferentes tipos de aberturas em termos de combinação de áreas de janela e tipo de vidro.

Os métodos de simulação computacional muitas vezes permitem inclusive análises termo-energético-luminosas, identificando diferentes variáveis de análise para avaliação de um projeto de edificação.

Na questão do uso de simulação computacional para avaliação termo- energética e de iluminação natural em edificações, diversos autores citam a utilização desses tipos de ferramenta para avaliação de projeto, como Bodart e De Herde (2002), utilizando os programas TRNSYS para desempenho termo-energético e ADELINE para luz natural; Laar (2001) o programa RADIANCE para luz natural; Fadzil e Sai (2004), o programa ADELINE para luz natural e SUNTOOL para dimensionamento de proteções solares; Lee, DiBartolomeo e Selkowitz (1998), o programa RADIANCE para luz natural; Lam e Li (1999), o programa DOE-2 para